Componenti e tecnologie elettriche, Riassunto

COMPONENTI E TECNOLOGIE ELETTRICHE- INGEGNERIA ELETTROTECNICA- SAPIENZA

2015-2016

Conduttori

I materiali conduttori per eccellenza sono i metalli. La loro struttura chimica viene tenuta insieme dal

legame metallico. Questo tipo di legame viene descritto dal modello a nube elettronica: gli atomi perdono i

loro elettroni di valenza e si trasformano in cationi arrangiandosi nel miglior modo possibile. Gli elettroni

distaccati non appartengono più al proprio atomo ma sono liberi di muoversi tra i cationi. Si può quindi

immaginare il cristallo metallico come un reticolo di ioni positivi immerso in un mare di elettroni che ne

costituiscono l’elemento legante.

Il legame metallico conferisce al materiale buona conducibilità elettrica grazie agli elettroni liberi, duttilità

(riduzione in fili) e malleabilità (riduzione in lamine) grazie alla possibilità degli ioni di poter scivolare gli uni

sugli altri.

I migliori conduttori utilizzati per linee aeree e in cavo sono l’alluminio, il rame e le loro leghe

Alluminio Rame

2

ρ [Ωmm /m] 0.028 0.017

Coefficiente 0.0040 0.0039

temperatura

α a 20°C

d [kg/m3] 2.7 8.9

costo [€/kg] 3 9

Confronto A parità di resistenza: S =5/3 S e Peso =1/2 Peso

Al Cu Al Cu

Vantaggi Leggerezza Buone proprietà meccaniche

Economicità Buon carico di rottura

Buona resistenza all’ossidazione Buona duttilità

Buona malleabilità

Svantaggi Basso carico di rottura Pesantezza

Costo elevato

Alta interazione con S

Scarsa resistenza all’ossidazione



Leghe Aldrey: 99% Al, Mg, Si

Peggiora la conducibilità elettrica ma migliora (x2) il

carico di rottura e la resistenza alla corrosione

 Al-Zr (8%)

Aumenta la resistenza termica (300°C)

Trattamenti

Ricottura: si porta il materiale a temperature elevate, al di sotto di quella di fusione e poi si lascia

raffreddare lentamente

Incrudimento: processo a freddo in cui le barre sono forzate meccanicamente a passare in filiere di

sezione minore ricotturamateriale

Migliori proprietà elettriche puro→incrudimento→Migliori proprietà meccaniche

Riduzione proprietà meccaniche Riduzione proprietà elettriche

La resistività di un metallo dipende anche dal suo grado di purezza: più è alto maggiore è la conducibilità

elettrica (e il costo)

Perdite addizionali su un conduttore sono dovute ad effetto pelle che provoca un aumento della resistenza

dovuta a un flusso di corrente su una corona circolare piuttosto che su un cerchio.

Conduttori per linee

Livelli di tensione da normativa:

 BT V <0,5 kV

n

 MT 0,5kV<V <30kV

n

 AT 30kV<V <220 kV

n

 AAT V >220 kV

n

La rete di trasmissione italiana conta più di 64000 Km di linee in AT, con 450 sottostazioni, 650

trasformatori e 20 linee di interconnessione con l’estero. Il tutto è affidato all’unico operatore di

trasmissione (TSO, Trasmission systems operator), Terna.

Livelli di alta tensione in Italia:

 380 kV

 220 kV

 150 kV

 132 kV

 60 kV Classificazione conduttori

Sono tutti di tipo cordato a sezione circolare con fili unitati cilindrici

AAC - All Aluminium Conductor

Conduttore omogeneo realizzato con fili di alluminio incrudito. Ha buone proprietà elettriche, una ottima

resistenza alla corrosione ma non sopporta tiri di posa elevati ed ha una alto coefficiente di dilatazione

termica ACAR – Aluminium Conductor Alloy Reinforced

Conduttore con nucleo in lega Al-Mg-Si e mantello esterno in alluminio. Offre un buon bilancio tra

proprietà elettriche e meccaniche oltre a una buona resistenza alla corrosione. Temperatura massima di

esercizio 90°C

AAAC – All Aluminium Alloy Reinforced

Conduttore omogeneo costituito da fili unitari della lega Aldrey (Al-Mg-Si). Ha una resistenza meccanica

doppia rispetto all’alluminio ma una conducibilità diminuita del 15%. Buone prestazioni termiche

ACSR – Aluminium Conductor Steel Reinforced

Conduttore non omogeneo costituito da anima in acciaio zincato e mantello esterno in alluminio. Ha il

pregio di essere molto affidabile per via dell’acciaio, ma gli sforzi non vengono distribuiti uniformemente a

causa dei diversi coefficienti di dilatazione (viene risolto ponendo del grasso tra i due materiali).

Temperatura massima di esercizio 85°C.

Questo tipo di conduttore, nelle formazioni di 22,8 e 31,5 mm di diametro sono la soluzione tipica utilizzata

in Italia per le linee di alta tensione (se il carico è elevato, per le linee a 220 kV si utilizzano fasci binati, per

380 kV quelli trinati). Il 22,8 presenta una formazione di 26 fili di alluminio di diametro 3,6 mm che

contengono 7 fili di 2,60 mm in acciaio. Per il 31,5 invece Al 54x3,5; Acc 19x2,1. La suddivisione in fili

permette di conferire al conduttore finale maggiore flessibilità.

Caratteristiche da considerare per i conduttori:

 Composizione monometallica o bimetallica

 Diametro fili

 Rapporto materiali (conduttore disomogeneo)

 Pretensioni

 Passo di cordatura

 Tiro di posa Catenaria

I conduttori per linee aeree vengono ancorati, per mezzo di catene di isolatori, tra tralicci consecutivi.

L’andamento della curva che descrive una fune omogenea, flessibile e non estensibile, i cui due estremi

siano vincolati e che sia lasciata pendere soggetta soltanto alla forza peso è quello di una catenaria.

L’equazione che la descrive è

= ∙ ℎ ( )

0

=

dove H è il parametro della catenaria ed è uguale a:

T è il tiro orizzontale della fune [daN] (uguale in tutti i punti) e p è il peso risultante [kg/m] formato dalla

0 02 2

= √ +

composizione tra il peso lineare p del conduttore e la spinta del vento p , .

0 v

La spinta dovuta dal vento aumenta quadraticamente all’aumentare della sua velocità e linearmente

rispetto al diametro del conduttore.

Da un’approssimazione della curva a parabola si può calcolare la freccia, che è la distanza massima che

esiste tra la corda della catenaria e il punto medio della catenaria stessa:

2

∙

 =

Per una campata a livello dove a è la lunghezza della campata

8∙

0 2

∙

′

 = =

Per una campata a dislivello dove b è la corda della catenaria e T’ è il tiro diretto 0

8∙′

 Per un gruppo di campate (campate con conduttori non separati meccanicamente) si utilizzano le

formule per campate singole sostituendo T con T e T’ con T ’, dove T è il tiro equivalente,

0 e e e

∑

=

ottenuto come 0

∑ < 10

Generalmente è ottimale un rapporto . Si può notare come la freccia aumenti

quadraticamente con la lunghezza della campata e linearmente col peso del conduttore. Aumentando il tiro

essa viene invece diminuita.

Tramite questo valore è possibile conoscere la distanza minima del conduttore rispetto terra (franco), utile

durante la progettazione per la verifica dei requisiti dettati dalle norme.

Quando il conduttore subisce variazioni di stato (differente temperatura esterna, peso risultante) per

determinare la variazione del tiro agente si utilizza l’equazione di stato:

12 22

2 2

−

01 02

)

− − ( − − =0

1 2

2 2 ∙

24 24

01 02

per una campata unica a livello. T è il tiro orizzontale della fune sospesa a temperatura t e peso unitario

01 1

p , T è il tiro orizzontale della fune sospesa a temperatura t e peso unitario p . α è il coefficiente di

1 02 2 2

dilatazione termica, S la sezione del conduttore e E il suo modulo elastico. Dall’equazione si ricava la

quantità incognita T .

02

Per una campata a dislivello si utilizzano come prima i tiri diretti al posto di quelli orizzontali e poi ci si

riconduce a questi ultimi; per un gruppo di campate si utilizzano invece i tiri equivalenti T .

e

Le norme di riferimento per il dimensionamento delle linee elettriche si basano sul decreto

interministeriale 21/03/88, n.449 “Approvazione nelle norme tecniche per la progettazione, l’esecuzione e

l’esercizio delle linee elettriche aeree esterne”.

Queste norme prevedono il rispetto delle distanze di sicurezza (altezza utile, distanze di rispetto da altre

opere) e degli sforzi meccanici nelle condizioni climatiche limite:

1. Condizione di massima sollecitazione: temperatura esterna t =-5°C e velocita del vento orizzontale

2

agente normalmente alla linea v=130 km/h

2. Condizione di massima freccia: temperatura esterna t =55°C e velocità del vento nulla

2

In entrambi i casi il tiro non deve mai superare il 50% del carico di rottura del conduttore.

Sostegni

Strutture metalliche a travatura reticolare realizzati con profilati di

acciaio a L o T. Hanno lo scopo di sostenere ad una certa altezza i

conduttori. L’adozione della struttura a traliccio permette di

minimizzare la quantità di materiale utilizzato, la resistenza al vento e

la visibilità.

Sono classificati secondo diversi parametri:

 Per tipologia di attacco dei conduttori al sostegno

 Sostegni d’amarro: funge da isolatore meccanico della linea e

supporta il tiro di una tratta (le mensole sono dimensionate

appositamente). La continuità metallica è affidata al collo

morto (conduttore con tiro nullo)

 Sostegni di sospensione: sostiene i carichi della mezza

campata precedente e successiva. Non vi è separazione meccanica tra le campate ma non sopporta

squilibri di tiro. Rappresenta una soluzione più economica rispetto al sostegno in amarro. La catena

I V

di isolatori in sospensione può essere a o a (quest’ultima soluzione evita lo sbandamento del

conduttore e quindi permette ingombri minori)

 Per utilizzo

 Sostegno di rettifilo: sostegni leggeri per tratti di linea rettilinei

 Sostegni d’angolo: sostegni più pesanti che servono a sostenere la componente trasversale alla

linea che induce il ribaltamento del sostegno

 Sostegni capolinea: utilizzati per l’ingresso in stazione, sostengono un carico prevalentemente

unidirezionale quindi sono anch’essi molto robusti

 Sostegni a portale: permettono il congiungimento di più linee sullo stesso sostegno

 Per silhouette

 Sostegni troncopiramidali: per ridurre l’ingombro a terra, hanno mensole alternate o a bandiera

 Sostegni a mensole isolanti: le mensole sono composte da un isolatore cappa e perno in trazione e

un puntone ceramico in compressione

 Sostegni a delta rovescio: utilizzato per sottopassi di altre linee o opere, presenta i punti di attacco

dei conduttori tutti alla stessa altezza

 Sostegni gatto: utilizzati come portali, possono ruotare intorno al loro asse

Generalmente in Italia si usano sostegni in sospensione quanto più è possibile, ma è obbligatorio

predisporre sostegni in amarro ogni 10 campate (3-4 km). Inoltre è norma utilizzare quest’ultimo tipo di

sostegno durante l’attraversamento di strade importanti o linee ferroviarie e in presenza di dislivelli,

essendo i sostegni in sospensione critici in queste condizioni.

Isolatori

Componenti che effettuano la separazione galvanica tra il conduttore e il sostegno. Possono essere in

vetro, porcellana o formati da materiali compositi. Quelli in vetro sono formati da moduli a cappa e perno

disposti in serie in numero che dipende dal livello di tensione.

Il profilo di tali elementi è realizzato in modo da massimizzare la linea di fuga, cioè il percorso più corto che

la corrente può percorrere durante una scarica, ed ha una forma concava verso il basso per mantenere

sempre una zona asciutta in qualsiasi condizioni.

Per le linee in alta tensione italiane vengono utilizzati isolatori cappa-perno unificati di tipo normale o

antisale (gole più profonde). Il numero di elementi dipende dal livello di tensione (9-11 per 220kV, 18-21

per 380kV) considerando una tenuta di 15 kV ciascuno nelle condizioni peggiori. Questo tipo di isolatori

hanno il pregio di essere facilmente identificabili se si rompono.

I parametri ambientali che condizionano fortemente il funzionamento degli isolatori è il livello di

inquinamento dell’aria e il suo livello di salinità (concentrazione della soluzione NaCl in acqua [g/l] ). Infatti

particelle di sale o polveri depositate sugli elementi creano dei percorsi a bassa impedenza che possono

provocare la scarica: per questo e line